新型GFRP柔性防船撞浮箱内部构造及消能机理研究

摘要

近几年，伴随着社会的进步、科技的发展以及中国对公路桥梁大量的投入，桥梁行业的发展也得到了迅速增长。但由于中国水上航运业不断增多，而各桥梁桥墩已对船舶的航行起到障碍作用，使船撞事故发生率不断提高。对已修建好的桥梁，很多设计师都采用一些被动防撞设施（缓冲作用）来保护桥墩的安全。在国内近年来很多设计师开始主要研究新型材料GFRP制作的防撞浮箱进行船舶撞击力的吸收，并得到了很好的效果。本文以某桥墩GFRP柔性防撞浮箱工程为背景，通过有限元软件数值模拟分析对比，对新型GFRP柔性防撞浮箱内部构造与消能机理展开了一系列研究。
　　本文引述了国内外对船桥碰撞研究进展情况，并对国内外关于桥墩撞击力的规范进行一系列学习与研究，分析前人对于防撞浮箱的设计思想，在其基础之上对GFRP防撞浮箱工程结构模型展开设计研究。首先通过对装有不同形状与厚度内部消能筒的浮箱进行了一系列设计研究，确定吸收船舶撞击力最佳的浮箱内部消能筒厚度与形状的形式;其次在最佳形式消能筒基础上对浮箱内部消能筒连接方式进行了对比设计，选择消能效果较好的连接方式;最后在确定消能筒形式基础上，对相同消能筒与不同厚度外箱组合的浮箱展开了设计，确定其中最佳消能筒与外箱组合的GFRP浮箱模型。
　　以上设计模型均采用ANSYS/LS-DYNA有限元非线性动力分析软件进行数值模拟分析，将数值计算得到的结果进行了对比。首先了解了桥墩撞击力与撞击系统中各个能量的变化，直观的对比出消能效果较好的GFRP柔性防撞浮箱;其次对于GFRP防撞浮箱能量变化进行了对比分析，观察系统中浮箱消能情况;最后对各个工况浮箱进行一系列的消能机理研究，分析其中消能效果并得出以下结论:通过对比分析面面接触5mm厚八边形消能筒体消能效果要比其他形状消能简体消能效果更佳;对于已确定最佳形式消能简体直接增加卡榫接触会使简体间出现整体性，会使消能效果减弱;选取面面接触5mm八边形消能筒与厚度范围在15-20mm之间外箱组合的GFRP防撞浮箱消能效果最佳。此研究成果为以后桥墩GFRP柔性防撞浮箱工程设计提供可靠的理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 桥梁防撞发展概况

1．2 国内外船舶桥梁碰撞问题现状研究

1．3 船桥碰撞数值仿真模拟理论分析

1．3．1 船桥碰撞基本理论

1．3．2 船撞力计算方法

1．3．3 有限元法

1．3．4 船桥碰撞中的接触-摩擦

1．4 本文研究内容

第二章 基于不同形状及厚度GFRP浮箱内部构造设计

2．1．1 工程背景

2．1．2 模型尺寸的确定及材料参数

2．1．3 边界条件

2．2 不同浮箱内部简体形状及厚度模型设计与研究

2．2．1 内部简体设计

2．2．2 计算工况

2．3 模型结果与分析

2．3．1 系统能量变化结果

2．3．2 不同工况浮箱保护下桥墩撞击力结果

2．3．3 浮箱能量变化结果

2．3．4 桥墩能量变化结果

2．5 主要结论

2．6 本章小结

第三章 基于不同连接方式GFRP浮箱内部简体设计

3．1 引言

3．2 材料的连接方式

3．2．1 连接与连接的目的

3．2．2 常用连接方式

3．3 燕尾榫连接简体的浮箱模型设计

3．4 模型结果与分析

3．4．1 系统能量变化结果

3．4．2 不同工况浮箱保护下桥墩撞击力结果

3．4．3 浮箱能量变化结果

3．4．4 桥墩能量变化结果

3．5 主要结论

3．6 本章小结

第四章 基于不同外壁厚度GFRP防撞浮箱结构设计

4．1 引言

4．2 不同外壁厚度浮箱模型设计

4．3 模型结果与分析

4．3．1 系统能量变化结果

4．3．2 不同工况浮箱保护下桥墩撞击力结果

4．3．3 浮箱能量变化结果

4．3．4 桥墩能量变化结果

4．4 主要结论

4．5 本章小结

第五章 GFRP防撞浮箱消能机理研究

5．1 影响船桥碰撞力的冲击动力学理论

5．1．1 结构刚度

5．1．2 应力波波速及传播途径

5．2 不同厚度及形状消能筒的消能机理

5．2．1 不同厚度消能筒消能机理

5．2．2 不同形状消能筒消能机理

5．3 不同连接方式消能筒的消能机理

5．4 不同厚度外箱的消能机理

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文完成的主要工作与结论

6．2 本文研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果